способ получения пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана

Формула изобретения

Способ получения пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана, включающий приготовление экзотермической смеси из порошков никеля и титана в соотношении 47-53 ат.% никель, остальное - титан, и порошковых добавок, прессование из смеси заготовки, размещение ее в реакторе СВС и воспламенение поджигающим составом, отличающийся тем, что в качестве порошковых добавок вводят экзотермическую смесь порошковых компонентов, образующих биосовместимые тугоплавкие соединения с более высокой температурой плавления, чем у никелида титана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористых материалов на основе никелида титана в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), и может использоваться в медицине для изготовления имплантатов из биосовместимых материалов. Предложен способ получения пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана, включающий приготовление экзотермической смеси порошков никеля и титана в соотношении 47-53 ат.% никель, остальное титан, и порошковых добавок, прессование из смеси заготовки, размещение ее в реакторе СВС и воспламенение поджигающим составом, причем в качестве добавки вводят экзотермическую смесь порошковых компонентов, образующих биосовместимые тугоплавкие соединения с более высокой температурой плавления, чем у никелида титана.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения пористых материалов на основе никелида титана в режиме СВС, которые используются в медицине для замещения тканей организма, имплантации и т.д.

Никелид титана, полученный методом СВС из двухкомпонентной смеси порошков никеля и титана, характеризуется фазовой неоднородностью - наряду с основной фазой TiNi в значительном количестве присутствуют вторичные фазы Ti ₂Ni и TiNi₃. Изменение фазового состава на сотые доли процента приводит к сдвигу температуры фазовых превращений в материалах на основе никелида титана на десятки градусов (Ходоренко В.Н., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер В.Э. Биосовместимые пористые проницаемые материалы. // Биосовместимые материалы и имплантаты с памятью формы. - Томск: Нортхэмптон 2001. С.9-24). Поэтому в материалах на основе никелида титана желательно иметь только фазу TiNi и стабильные физико-механические свойства. Содержание вторичных фаз в СВС-никелиде титана уменьшается при предварительном нагреве шихтовой заготовки и увеличении температуры в зоне фазообразования (Ясенчук Ю.Ф. и др. Исследование закономерностей формирования пористой структуры СВС-сплавов на основе TiNi. // Труды Всероссийской конференции "Процессы горения и взрыва". Москва, 24-27 июня 2002 г., с.542-546).

Известен способ получения материалов на основе никелида титана, включающий сушку исходных порошков никеля и титана в вакуумном шкафу, их смешивание, прессование в заготовку при пористости 40%, размещение заготовки в герметичный реактор, заполнение реактора аргоном до создания избыточного давления 0,5÷50 ати, предварительный нагрев размещенных в реакторе образцов до температуры 550÷580°C, инициирование реакции СВС (SU 662270 B22F 3/12, 15.05.1979 г.).

Техническим результатом известного способа является получение литого мононикелида титана TiNi с отклонением состава от стехиометрии не более 0,5% без вторичных фаз.

Недостатком способа является высокая начальной температуры шихты, которая приводит к повышению температуры в зоне фазообразования настолько, что из-за чрезмерного содержания жидкой фазы конечный продукт в поле сил тяжести теряет свою структурную устойчивость. В результате получается литой материал, что ограничивает его использование в медицине.

Известен способ получения пористых материалов на основе никелида титана в режиме СВС, включающий предварительную сушку исходных порошков в вакуумном шкафу, дозирование порошков и их смешивание в стандартных смесителях, прессование полученной экзотермической смеси в пресс-формах на гидравлическом прессе в образцы, размещение их в реакторе СВС, продувку реактора с содержимым инертным газом, предварительный нагрев образца до температуры 130÷430°C, инициирование реакции СВС в атмосфере инертного газа, при этом в процессе синтеза давление инертного газа поддерживают равным 0,1÷0,2 МПа, последующее охлаждение и выгрузку целевого продута (Итин В.И., Братчиков А.Д. СВС сплавов с памятью формы. // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Томск, 1991, с.124-132).

В соответствии с этим способом получают функциональный пористый никелид титана с общей пористостью 30-70% и долей открытой пористости не более 90%, высоким коэффициентом проницаемости, обладающим эффектом памяти формы.

Недостатком данного способа является то, что при всех начальных температурах синтеза пористый материал содержит вторичные фазы, от которых необходимо избавляться дополнительными методами.

Известен состав шихты для получения материала на основе никелида титана методом СВС, содержащей порошки никеля и титана в соотношении 47-53 ат.% никель, остальное титан и порошок никелида титана в соотношении 5÷30 вес.% от смеси порошков никеля и титана (RU 2170645, B22F 3/23, 20.07.2001). После перемешивания в лабораторном смесителе шихту засыпают в цилиндрическую замкнутую форму и помещают в реактор. Для исключения доступа воздуха через реактор пропускают аргон. Реактор нагревают до температуры 600°C и сформованную шихту поджигают от электроспирали с одного из ее торцов.

Технический результат способа заключается в повышении управляемости распределения по размерам пор при производстве пористых материалов методом СВС. Добавление в шихту порошка никелида титана, являющегося инертом для реакции, изменяет кинетику СВС и дает необходимое распределение пор по размерам.

Недостатком известного способа является значительные затраты электроэнергии для предварительного нагрева реактора и размещенных в нем образцов.

Известен способ получения пористых материалов на основе никелида титана в режиме СВС, включающий приготовление экзотермической смеси исходных компонентов из порошков никеля, титана и, по крайней мере, одной добавки, выбранной из ряда, включающего: гидрид титана, галогениды аммония и гидроксиапатит, прессование из смеси заготовки, размещение ее в реакторе СВС, вакуумирование реактора и заполнение его аргоном до давления 0,1 МПа, предварительный нагрев заготовки до температуры 250-580°C, инициирование реакции СВС в инертной атмосфере (аргон или вакуум) с последующим выделением целевого продукта. При этом гидрид титана и галогениды аммония берут в количестве не более 4 мас.%, гидроксиапатит в количестве не более 25 мас.% (RU 2310548, B22F 3/23, 20.11.2007).

Гидрид титана и галогениды аммония относятся к ряду газифицирующих добавок, что способствует получению целевого продукта с высокой открытой пористостью. Пористый материал, полученный по известному способу, характеризуется общей пористостью 40-70% и долей открытой пористости до 98%. При добавке в смесь исходных компонентов гидроксиапатита конечный продукт состоит из мононикелида титана и примесей, в том числе обогащенной никелем фазы Ni₃Ti. При использовании в качестве добавки гидрида титана или галогенидов аммония получается однофазный продукт, соответствующий формуле TiNi.

Недостаток известного способа заключается в затратах электроэнергии для предварительного нагрева заготовки.

Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение фазовой однородности пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана и упрощение способа их получения. Технический результат достигается тем, что способ получения пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана включает приготовление экзотермической смеси порошков никеля и титана в соотношении 47-53 ат.% никель, остальное титан, и порошковых добавок, прессование из смеси заготовки, размещение ее в реакторе СВС и воспламенение поджигающим составом, причем в качестве добавки вводят экзотермическую смесь порошковых компонентов, образующих биосовместимые тугоплавкие соединения с более высокой температурой плавления, чем у никелида титана.

В отличие от известных способов для увеличения температуры синтеза используется не внешний источник тепла, а внутренний источник тепла экзотермических реакций между добавляемыми компонентами. При этом продукты реакции добавляемых компонентов должны иметь биосовместимость с тканями организма и более высокую температуру плавления, чем соединения титана с никелем. Указанным требованиям в полной мере отвечает нестехиометрический карбид титана TiC _0,5. Температура горения при синтезе карбида титана TiC _0,5 составляет 2500°C, а температура горения при синтезе никелида титана с нагревом исходной шихты Ti-Ni до температуры 500°C не превышает 1650°C. Температура плавления карбида титана TiC_0,5, которая равна Т_пл 2500°C, также намного выше, чем температура плавления наиболее тугоплавкой фазы TiNi₃, у которой Т_пл =1380°C. Кроме того, исследованиями in vitro показана биосовместимость материалов на основе карбида титана TiC_0,5 (Кулаков А.А. и др. Влияние различных по химическому составу покрытий интраоссальных титановых имплантатов на их интеграцию в кость. // Российский вестник дентальной имплантологии. - 2007. - № 3/4. - С.10-15). Для повышения пористости конечного продукта в смесь исходных компонентов могут быть введены газифицирующие добавки.

Получение пористых материалов на основе никелида титана с использованием заявленных в формуле признаков позволяет получать пористый проницаемый биосовместимый материал. Попутный технический результат предложения - повышение прочности пористого материала за счет частичной замены никелида титана более прочным карбидом титана.

Структуру полученных образцов исследовали на изломах и металлографических шлифах на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A, рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре ARL X'TRA.

Сущность способа подтверждается примером.

Готовят экзотермическую смесь массой 50 г из порошков титана марки ПТС и никеля марки ПНЭ в стехиометрическом соотношении по 50 ат.% каждого для получения никелида титана TiNi и добавляют 150 г экзотермической смеси из порошков титана марки ПТС и углерода технического (сажа) марки П804Т для получения нестехиометрического карбида титана TiC_0,5. С целью повышения порообразования в шихту вводят 2% пищевого крахмала. Затем обе смеси перемешивают в течение 4 часов в шаровой мельнице объемом 1 л при соотношении масс шаров и шихты 3:1. Из шихты односторонним прессованием в цилиндрической матрице получают шихтовые заготовки диаметром 23 мм, массой 20 г и относительной плотностью 0,55÷0,6. Заготовки размещают в замкнутом в реакторе СВС в газопроницаемой оболочке из речного песка при внешнем давлении на оболочку 0,1 МПа и инициируют реакцию СВС раскаленной вольфрамовой спиралью. После прохождения реакции по всему объему заготовки полученный материал извлекают из реактора, охлаждают и анализируют известными методами.

Полученный пористый материал представляет собой образец с пористостью 45-50%, доля открытой пористости составляют 90-95% от общей пористости. Результаты рентгенофазового анализа показывают, что продукт синтеза двухфазный и состоит из биосовместимых нестехиометрического карбида титана TiC _0,62 и мононикелида титана TiNi.

Таким образом, использование заявленной совокупности признаков позволяет получать пористый биосовместимый материал на основе мононикелида титана без предварительного нагрева шихтовой заготовки внешним источником тепла.